Австралийские ученые создали батарею будущего

Инженеры в Австралии создали натриевую батарею, которая проработала более 5000 часов в ходе лабораторных испытаний. В ней используется твердое, похожее на пластик ядро вместо легковоспламеняющейся жидкости, что делает всю систему гораздо более устойчивой к перегреву.

Как передает Day.Az со ссылкой на Униан, прототип, разработанный в Университете Квинсленда, предназначен для аккумуляторных станций, сохраняющих возобновляемую энергию в сети, пишет Earth. Заменяя дефицитный литий на обычный натрий (тот же, что в поваренной соли), разработка обещает снижение затрат и уменьшение нагрузки на цепочки поставок для многих стран.

Натрий находится прямо под литием в таблице Менделеева, но он более распространен, и его легче добывать. Несколько исследовательских групп утверждают, что батареи на основе натрия могут сократить затраты на материалы для крупных проектов по хранению энергии.

Работой руководил доктор Чэн Чжан из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий (AIBN) при Университете Квинсленда.

Его исследования сосредоточены на твердотельных батареях, которые сочетают более безопасные электролиты с недорогими металлами, такими как натрий. В традиционных натрий-металлических элементах используются жидкие электролиты, в которых часто растут дендриты - крошечные металлические шипы, пронзающие внутренние слои батареи. Эти шипы могут вызвать короткое замыкание, привести к потере накопленной энергии, а в худшем случае - к пожару.

Внутри каждой батареи находится электролит - материал, позволяющий заряженным ионам перемещаться между двумя электродами. "В большинстве батарей используется жидкий электролит, но эти жидкости горючи и могут перегреваться", - сказал доктор Чжан.

Твердые электролиты заменяют эту жидкость твердым слоем, что повышает безопасность и устраняет необходимость в тяжелой защитной упаковке. Более ранние работы показали, что полимеры на основе перфторполиэфира могут поддерживать стабильный цикл работы натрия при высоких температурах.

Проблема в том, что твердое вещество должно быть одновременно достаточно прочным, чтобы блокировать рост металла (дендритов), и достаточно проницаемым внутри, чтобы ионы могли проскальзывать сквозь него. Многие материалы-кандидаты либо трескаются под нагрузкой, либо настолько замедляют ионы, что батарея становится слишком медленной ("вялой") для реального использования.

Команда из Квинсленда решила этот компромисс, переработав электролит на молекулярном уровне, а не просто заменив одну соль на другую. Они хотели получить пластик, который мог бы гнуться вместе с электродами, но при этом сохранять организованные пути для движения натрия глубоко внутри.

Новый материал представляет собой блок-сополимер - длинную цепь, состоящую из двух различных повторяющихся сегментов, соединенных вместе. Одна часть цепи захватывает ионы натрия, а другая остается скользкой и фторированной, чтобы полимер не горел.

При правильной обработке цепи образуют объемно-центрированную кубическую структуру - трехмерный узор с соединенными "карманами" для ионов. Эти карманы соединяются в туннели, так что ионы натрия могут двигаться с низким сопротивлением, не позволяя нитям (дендритам) пробиваться сквозь них.

В полноценных ячейках с использованием катода из фосфата ванадия-натрия устройство сохранило более 91% своей начальной емкости. Батарея удерживала этот уровень после 1000 циклов быстрой зарядки и разрядки при температуре 176 градусов по Фаренгейту (80°C) в испытательной камере.

В отличие от многих литиевых батарей, натрий-металлические конструкции не требуют кобальта или никеля в катодах. Это снижает давление на цепочки поставок, связанные с загрязнением окружающей среды и трудовыми проблемами в определенных горнодобывающих регионах.

Для энергосети с солнечными панелями и ветряными турбинами стационарные батареи помогают сглаживать периоды падения генерации. Ячейки, сохраняющие высокую емкость годами, могут размещаться в блоках размером с контейнер на подстанциях и накапливать электричество.

Поскольку натрий получают из общедоступных источников, таких как морская вода и каменная соль, страны без запасов лития могут реализовывать крупные проекты по производству батарей. Такое разнообразие материалов может сделать глобальную энергетическую систему менее уязвимой к внезапным сырьевым шокам или запретам на экспорт.

Лабораторные тесты часто проводятся при повышенных температурах для ускорения движения ионов, но реальные устройства должны хорошо работать в обычных комнатных условиях. В обзоре журнала Energy and Environmental Science отмечается, что сохранение эффективности натриевых батарей в широком диапазоне температур остается ключевым препятствием для коммерциализации.

"Такая долгосрочная производительность необходима для хранения энергии на уровне энергосети", - подчеркнул доктор Чжан. Для прототипа из Квинсленда очевидным следующим шагом является повышение эффективности при работе при стандартной комнатной температуре.

Что касается материалов, команда экспериментировала с несколькими внутренними структурами, прежде чем остановиться на той, которая проводила натрий наиболее плавно.

Если исследователи смогут объединить эффективность при комнатной температуре с безопасностью и сроком службы, уже продемонстрированными в лаборатории, натрий-металлические батареи могут стать основой крупных проектов в области возобновляемой энергетики.

Этот сдвиг ослабит давление на поставки лития, сохраняя поток чистой энергии после захода солнца и во время безветрия.